一体式超声波传感器：原理、设计与应用解析(二)

电路系统：高度集成的信号处理单元

一体式传感器的电路系统采用模块化设计，通过 PCB 板与压电元件连接，核心模块包括：

驱动模块：由 MOS 管构成的 H 桥电路，接收 MCU 控制信号后输出高频交变电压（40kHz 方波，峰峰值 12-24V），驱动发射压电片振动。为增强发射功率，驱动电路通常设计有储能电容（10-100μF），可在短时间（10-20μs）内释放高能脉冲。

接收模块：包含前置放大器（增益可调，60-100dB）、带通滤波器（中心频率 40kHz±1kHz）和比较器。前置放大器将压电片产生的 mV 级微弱信号放大至 V 级，滤波器抑制环境噪声（如 20-20kHz 的人声、低频机械振动），比较器则将模拟信号转换为数字脉冲（当信号幅度超过阈值时触发）。

控制模块：采用 8 位 MCU（如 STC89C52）实现时序控制，核心功能包括：触发发射脉冲（通常为 10-20 个周期的方波）、启动时间计数（精度 1μs）、检测接收脉冲、计算距离并通过数字接口（如 GPIO、UART）输出数据。部分型号（如 US-100）集成温度传感器（DS18B20），支持实时声速校正。

电路系统的小型化是一体式设计的关键，通过 SMT 贴片工艺将元件尺寸控制在 0402 封装级别，使整个电路模块面积不超过 2cm²，可嵌入直径 20mm 的壳体内部。

工作原理：发射与接收的协同机制

一体式传感器的工作流程遵循 “发射 - 传播 - 反射 - 接收” 的闭环，但由于发射器与接收器共处同一空间，需通过精准的时序控制与信号处理解决串扰问题，其核心机制包括时间分割、信号滤波与阈值动态调整。

发射阶段：高能脉冲的定向输出

当传感器接收到外部触发信号（如 MCU 发送的 10μs 高电平）后，控制模块立即启动发射流程：

驱动电路激活：MCU 控制 H 桥电路导通，储能电容释放能量，在发射压电片两端施加 40kHz 交变电压，持续 10-20 个周期（约 250-500μs）。

机械振动与声波产生：压电片在电场作用下发生逆压电效应，产生同频率机械振动，通过锥形辐射器将振动能量耦合到空气中，形成定向超声波束（声压级约 110dB，相当于小型喇叭的音量）。

发射抑制：发射结束后，驱动电路立即关断，同时通过泄放电阻释放压电片残留电荷，避免持续振动产生干扰信号。

发射阶段的关键参数是脉冲宽度与功率：脉冲过短会导致声能不足（探测距离缩短），过长则会增加功耗并延长测量周期。实际应用中，40kHz 传感器通常采用 16 个周期的脉冲（400μs），在 10mW 平均功耗下可实现 4 米测距。